«Обратная» эволюция папоротников показывает извилистый путь жизни

Мы часто склонны рассматривать эволюцию как улицу с односторонним движением, постоянное продвижение к все более совершенным формам жизни. Но на самом деле все гораздо сложнее. Последние исследования показывают, что некоторые виды не следуют этой линейной траектории и даже могут возвращаться к формам, которые на первый взгляд кажутся более простыми. Тем самым они бросают вызов закону Долло, который гласит, что эволюция необратима. Это особенно характерно для некоторых папоротников.

Папоротники: особо приспособляемые растения

Папоротники — удивительное семейство растений. В отличие от большинства современных растений, у них нет семян, цветов или плодов. Они размножаются спорами — стратегия, которая насчитывает сотни миллионов лет. Этот уникальный способ размножения придает им исключительную гибкость.

У папоротников также есть две основные репродуктивные стратегии:

• Диморфизм, когда растения производят два разных типа листьев: одни для фотосинтеза, другие для распространения спор.
• Мономорфизм, когда один лист выполняет функции и фотосинтеза, и размножения.

Согласно классическому взгляду на эволюцию, если вид выработал такую специализированную адаптацию, как диморфизм, он не должен быть в состоянии вернуться к более простому мономорфному состоянию. И на то есть веские причины: теоретически переход к диморфизму представляет собой эволюционный прогресс, поскольку он оптимизирует репродуктивные и фотосинтетические функции. Однако исследователи заметили, что некоторые виды способны именно на это.

Обратная эволюция в семействе Blechnaceae

В недавнем исследовании Джейкоб Суисса, биолог из Университета Теннесси, и Макалех Смит из Новой школы изучили 118 видов папоротников, принадлежащих к семейству Blechnaceae — семейству, характеризующемуся большим разнообразием репродуктивных стратегий. Благодаря подробным коллекциям естественной истории и использованию передовых эволюционных алгоритмов (таких, как байесовские методы и калиброванные филогенетические деревья), они смогли смоделировать эволюцию репродуктивных стратегий во времени и реконструировать переходы между диморфизмом и мономорфизмом. В итоге их анализ показал, что эволюция в Blechnaceae не идет по линейной, прогрессивной траектории.

Такая ретроградная эволюция стала возможной благодаря уникальной особенности папоротников — отсутствию жестких структур, таких как семена. В отличие от цветковых растений, у которых семена и репродуктивные органы фиксированы в своем развитии и положении, папоротники производят спорангии прямо на своих ветвях. Эти спорангии, сгруппированные в структуры, называемые сорус, могут появляться в разных местах в зависимости от потребностей или условий окружающей среды. Такая пластичность позволяет папоротникам динамично изменять свою репродуктивную стратегию.

Исследователи предполагают, что возврату к мономорфизму могут способствовать специфические факторы окружающей среды, такие как изменения в доступности ресурсов или климатических условиях. Например, в условиях недостатка света или питательных веществ сохранение одного поливалентного (мономорфного) листа может быть энергетически более выгодным, чем производство двух разных типов листьев.

Наконец, для количественной оценки этих наблюдений авторы использовали инструменты эволюционного моделирования, способные выявить тенденции в переходе признаков в геологических масштабах. Их анализ выявил периоды быстрой эволюции, что позволяет предположить, что эти переходы между диморфизмом и мономорфизмом не являются простым результатом генетического дрейфа, а, вероятно, вызваны значительными селективными событиями, связанными с непосредственными адаптивными потребностями.

Еще один случай ретроградной эволюции

Заметим, что не только папоротники бросают вызов классическим моделям эволюции. Еще один яркий пример — ящерица Liolaemus. После эволюции к живорождению (рождению живых детенышей) некоторые виды этого рода вернулись к откладыванию яиц. Этот возврат к более ранней стратегии показывает, что эволюция иногда может быть продиктована конкретными экологическими или биологическими факторами, а не непрерывным движением к «высшим» формам жизни.

Более сложное видение эволюции

Таким образом, ретроградная эволюция ставит под сомнение линейное видение эволюции, часто диктуемое законом Долло, который постулирует, что сложные адаптации необратимы. В действительности у эволюции нет финишной черты или конечной цели. Эволюционные траектории больше похожи на запутанную паутину, чем на прямую линию: одни ветви расходятся, другие сходятся, третьи замыкаются в себе.

Другими словами, вместо того чтобы представлять себе эволюцию как лестницу, ведущую к биологическому совершенству, правильнее будет изобразить ее как сложное дерево, каждая ветвь которого может идти в непредсказуемом направлении. В некоторых случаях две, казалось бы, разные ветви могут сближаться или сливаться, иллюстрируя такие явления, как эволюционная конвергенция. И наоборот, ветвь может закрутиться в обратную сторону, чтобы вернуться к ранее оставленным характеристикам, как это наблюдается в ретроградной эволюции. Такая переплетенная природа эволюционных траекторий отражает разнообразие давления окружающей среды, случайных мутаций и экологических возможностей, с которыми сталкиваются виды.

Такое более тонкое понимание эволюции может иметь важные последствия. Например, оно поможет нам лучше понять, как виды адаптируются к быстрым изменениям окружающей среды.